PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(LCD顯示)

內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能儀表綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)說明書題目：PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(LCD顯示)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)：2009-1指導(dǎo)教師：李文濤(教授)摘要目前，在過程控制系統(tǒng)中大部分采用PID數(shù)字調(diào)節(jié)器，本設(shè)計(jì)的PID數(shù)字調(diào)節(jié)器硬件采用AT89C52單片機(jī)作為主控單元,ADC0832實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，LCD1602用于顯示，四個(gè)獨(dú)立鍵進(jìn)行P、I、D參數(shù)的設(shè)定,硬件轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電壓的放大。軟件上用定時(shí)器T0采樣，數(shù)字濾波，標(biāo)度變換，限幅及防積分飽和的PID調(diào)節(jié)，PWM輸出等。同時(shí)，文中還給出了此PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的硬件電路設(shè)計(jì)及軟件流程和相關(guān)的調(diào)試程序等。關(guān)鍵詞:PID數(shù)字調(diào)節(jié)器；LCD1602顯示；A/D轉(zhuǎn)換；PWM輸出目錄第一章PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的概述 1第二章總體設(shè)計(jì)方案 2第三章調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì) 33.1單片機(jī)的選型 33.2I/V轉(zhuǎn)換電路 33.3ADC0832芯片簡(jiǎn)介 53.3.1ADC0832芯片說明 53.3.2ADc0832與單片機(jī)的連接 63.4LCD顯示模塊 73.4.11602字符型LCD簡(jiǎn)介 73.4.2引腳功能介紹 7第四章PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì) 84.1PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件實(shí)現(xiàn) 84.2AD采樣及數(shù)字濾波模塊 84.2.1AD采樣部分 94.2.2數(shù)字濾波部分 94.3標(biāo)度變換模塊 114.4鍵盤模塊 124.5PID控制模塊 124.6PWM輸出模塊 14第五章系統(tǒng)仿真與調(diào)試 16第六章總結(jié) 17參考文獻(xiàn) 18附錄A 19硬件原理圖 19附錄B 20源程序 20第一章PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的概述隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，人們對(duì)于生產(chǎn)過程的要求越來越高，這就促使人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中不斷探求新的控制方案。而在控制方案的選擇中，控制規(guī)律的選擇尤為重要。PID調(diào)節(jié)具有原理簡(jiǎn)單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過Kp，Ti和Td三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響：（1）比例增益Kp能及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例環(huán)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢(shì)變化。當(dāng)比例增益Kp越大，PID控制器調(diào)節(jié)速度越快。但Kp不能太大，過大的比例增益會(huì)加大調(diào)節(jié)過程的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)的大小，Ti越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。（3）微分環(huán)節(jié)的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用具有超前的控制作用,因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間Td的大小，Td越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器就是將模擬信號(hào)(包括電流、電壓)通過AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào),微處理器（本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)）再將數(shù)字信號(hào)通過一定的算法進(jìn)行一定的處理,然后將處理過后的數(shù)字信號(hào)通過PWM輸出。

第二章總體設(shè)計(jì)方案PID調(diào)節(jié)器將變送器傳過來的4～20mA的電流信號(hào)，經(jīng)硬件濾波電路(RC)進(jìn)行濾波，再接250歐姆的電阻轉(zhuǎn)換為1～5V，送入ADC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)化，AD轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，然后以PWM輸出（0～5V），同時(shí)用LCD1602進(jìn)行顯示。此外用四個(gè)獨(dú)立按鍵（K1功能鍵、K2確定鍵、K3加法鍵、K4減法鍵）進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的設(shè)定?？傮w流程圖如圖2.1所示。圖2.1總體流程圖第三章調(diào)節(jié)器的硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的選型AT89C52是51系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào),它是ATMEL公司生產(chǎn)的.它是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。其管腳圖如下圖3.1所示。圖3.1AT89C52管腳圖3.2I/V轉(zhuǎn)換電路在與電流輸出的傳感器接口的時(shí)候，為了把變送器輸出的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，最簡(jiǎn)單的就是加250歐姆的電阻，僅使用一只I/V轉(zhuǎn)換取樣電阻，雖然簡(jiǎn)單，但是有部分的電壓損失，首先，其實(shí)際意義是零點(diǎn)信號(hào)的時(shí)候，會(huì)有一個(gè)零點(diǎn)電流流過取樣電阻，如果按照4-20mA輸入電流轉(zhuǎn)換到最大5V電壓來分析，零點(diǎn)的時(shí)候恰好就是1V，這個(gè)1V在單片機(jī)資源足夠的時(shí)候，可以由單片機(jī)軟件去減掉它。可是這樣一來。其有用電壓就會(huì)剩下5-1=4V而不是5V了。由于單片機(jī)的A／D最大輸入電壓就是單片機(jī)的供電電壓，這個(gè)電壓通常就是5V，因此，處理這種簡(jiǎn)單的輸入轉(zhuǎn)換電路時(shí)比較麻煩。為了達(dá)到A／D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致芯片成本增加。為了解決上面問題的，設(shè)計(jì)如圖3.2所示的電路。3.2I/V轉(zhuǎn)換電路其原理是：在單片機(jī)輸入之前配置一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的緩沖處理電路，增加這級(jí)運(yùn)算放大器可以起到對(duì)零點(diǎn)的處理會(huì)變得更加方便，無需耗用單片機(jī)的內(nèi)部資源，尤其單片機(jī)是采用A／D接口來接受這種零點(diǎn)信號(hào)不為零電壓的輸入時(shí)，可以保證A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的資源能夠全部應(yīng)用于有用信號(hào)上。圖中的R是電流取樣電阻，其值的大小主要受變送器供電電壓的制約，當(dāng)前級(jí)采用12V供電時(shí)，R經(jīng)常會(huì)使用200Ω的阻值，同時(shí)，線路輸入與主電路的隔離作用還可以起到保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的作用。圖3.2采用的是廉價(jià)運(yùn)放LM324，其對(duì)零點(diǎn)的處理是在反相輸入端上加入一個(gè)調(diào)整電壓，其大小恰好為輸入4mA時(shí)在R上的壓降。有了運(yùn)算放大器，還使得R的取值可以更加小，因?yàn)檫@時(shí)信號(hào)電壓不夠大的部分可以通過配置運(yùn)放的放大倍數(shù)來補(bǔ)足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉(zhuǎn)換成為0～5V電壓了。

雖然這部分的仿真成功了，但考慮到選擇的運(yùn)放是最最廉價(jià)的，運(yùn)放的失調(diào)與漂移，以及因?yàn)檫\(yùn)放的供電與單片機(jī)電路供電的穩(wěn)定性，電源電壓是否可以保證足夠穩(wěn)定，運(yùn)放的輸入阻抗是否對(duì)信號(hào)有分流影響，以及運(yùn)放是否在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)放大特性平坦，如此等等，造成這種廉價(jià)電路在真正使用時(shí)可能不盡人意。實(shí)際中，被控對(duì)象水箱的最低液位的一些實(shí)際特性，就放棄了這部分電路的使用，直接選用250Ω的電阻。3.3ADC0832芯片簡(jiǎn)介3.3.1ADC0832芯片說明ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而得到廣泛的應(yīng)用。ADC0832接口說明：

·CS_片選使能，低電平芯片使能。

·CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。

·CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。

·GND芯片參考0電位（地）。

·DI數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。

·DO數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。

·CLK芯片時(shí)鐘輸入。

·Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。一般情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK提供時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖到來之前DI端必須是高電平，表示啟動(dòng)位。在第2、3個(gè)時(shí)鐘脈沖到來之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項(xiàng)見表3.3表3.3ADC0832配置位輸入形式配置位選擇通道CH0CH1CHOCH1差分輸入00+-01-+單端輸入10+11+當(dāng)配置位2位數(shù)據(jù)為1、0時(shí)，只對(duì)CH0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)配置2位數(shù)據(jù)為1、1時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)配置2位數(shù)據(jù)為0、0時(shí)，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入。當(dāng)配置2位數(shù)據(jù)為0、1時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN-，CH1作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。到第3個(gè)時(shí)鐘脈沖到來之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)時(shí)鐘脈沖開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位D7，隨后每一個(gè)脈沖DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)D0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出D0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。圖3.4為ADC0832時(shí)序圖。圖圖3.4ADC0832時(shí)序圖3.3.2ADc0832與單片機(jī)的連接根據(jù)ADC0832的芯片原理，設(shè)計(jì)中DI,DO接P3.7信號(hào)既輸入又能輸出,CS的片選信號(hào)接P2.0。ADC0832與單片機(jī)的連接圖如圖3.5圖3.5ADC0832與單片機(jī)的連接3.4LCD顯示模塊3.4.11602字符型LCD簡(jiǎn)介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物見圖3.6所示。圖3.6LCD1602實(shí)物圖3.4.2引腳功能介紹1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明見表3.7。表3.7引腳接口說明表編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極下圖是根據(jù)本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能來將其各引腳與單片機(jī)進(jìn)行連接。連接圖見圖3.8。圖3.8LCD1602與單片機(jī)連接圖第四章PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)4.1PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的軟件實(shí)現(xiàn)PID數(shù)字調(diào)節(jié)器首先通過定時(shí)器T1定時(shí)采樣，定時(shí)時(shí)間10MS,采樣之后，用去極值平均值濾波法進(jìn)行數(shù)字濾波、上下限可設(shè)的標(biāo)度變換，標(biāo)度變換完之后送單片機(jī)進(jìn)行處理，配合鍵盤進(jìn)行PID參數(shù)的設(shè)定，之后以PWM輸出。軟件流程圖如圖4.1，源程序見附錄B。4.1軟件流程圖4.2AD采樣及數(shù)字濾波模塊4.2.1AD采樣部分設(shè)計(jì)中，對(duì)ADC0832進(jìn)行操作時(shí)，前3個(gè)脈沖用于初始化，通道選擇，從第4個(gè)脈沖開始，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，從高到低讀一次，再從低到高讀一次，以確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。程序流程圖如圖4.2所示.圖4.2ADC0832子程序流程圖4.2.2數(shù)字濾波部分所謂的數(shù)字濾波，就是在計(jì)算機(jī)中通過軟件按照某種算法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行平滑加工等處理，以減少干擾在有用信號(hào)中的比重，提高信號(hào)的真實(shí)性。常用的數(shù)字濾波的方法有算術(shù)平均值濾波法、限幅濾波法、滑動(dòng)平均濾波法、一階滯后濾波法、中值濾波法等。以下對(duì)幾種常用的方法做簡(jiǎn)要的介紹。1.算術(shù)平均值濾波法：連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。優(yōu)點(diǎn)：適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)。缺點(diǎn)：對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用。2.限幅濾波法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A），每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效，如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值。優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。缺點(diǎn)：無法抑制那種周期性的干擾，平滑度差）3.滑動(dòng)平均濾波法：把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N,每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾,并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù).把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算,就可獲得新的濾波結(jié)果優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。缺點(diǎn)：靈敏度低，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合。4.一階滯后濾波法：取a=0-1，本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合缺點(diǎn)：相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。5.中值濾波法：連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)3-5），把N次采樣值按大小排列取中間值為本次有效值。優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)溫度、液位的變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果缺點(diǎn)：對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜6.去極值平均值濾波法：對(duì)被測(cè)參數(shù)采樣N次，并按大小順序排列，從首尾各舍掉一個(gè)大數(shù)和一個(gè)小數(shù)，再將剩余的進(jìn)行平均，這種方法既能去掉脈沖干擾，又可以對(duì)采樣進(jìn)行平滑加工，在快，慢系統(tǒng)中都能削弱干擾，提高控制質(zhì)量。綜上所述，考慮到是通用調(diào)節(jié)器要適應(yīng)性強(qiáng)，所以選用去極值平均值濾波法在設(shè)計(jì)中,用定時(shí)器T1進(jìn)行采樣,采樣之后進(jìn)行數(shù)字濾波,程序流程圖如圖4.3所示。4.3采樣濾波流程圖4.3標(biāo)度變換模塊計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各種物理參數(shù)有不同的量綱，如溫度為℃；壓力采用Pa；流量用m/n等。這些參數(shù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字量信息輸出，這個(gè)數(shù)字量雖然代表參數(shù)值的大小，但并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，必須將它轉(zhuǎn)換成原來參數(shù)的真實(shí)值才能進(jìn)行顯示，打印或使用.而這就需要標(biāo)度變換。線性標(biāo)度變換公式:（4-1）Y實(shí)際測(cè)量值；Ymin儀表測(cè)量下限；Ymax儀表測(cè)量上限；NxY對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nmin儀表測(cè)量下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nmax儀表測(cè)量上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量;ADC0832是8為A/D轉(zhuǎn)換器，將4-20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為1-5V電壓信號(hào)，A/D對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為51-255。計(jì)算公式如下：（4-2）當(dāng)進(jìn)行顯示時(shí),1-5v電壓對(duì)應(yīng)本設(shè)計(jì)液位0-500mm,即:（4-3）則從D/A數(shù)字量到顯示的實(shí)際物理量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:（4-4）式中，Y為液位實(shí)際測(cè)量值；Ymin為液位測(cè)量下限；Ymax為液位測(cè)量測(cè)量上限；Vx為A/D轉(zhuǎn)換器所接收電壓值；Nx為A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)的數(shù)字量(Ymin,Ymax可設(shè))。4.4鍵盤模塊PID調(diào)節(jié)器采用4個(gè)獨(dú)立建,K1接P1.4、K2接P1.5、K3接P1.6、K4接P1.7。K1是功能鍵，實(shí)現(xiàn)Sv、Kp、Ki、Kd四種模式選擇。K2是確認(rèn)鍵，當(dāng)鍵按下時(shí)可進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完后按下鍵即可確認(rèn)保存相應(yīng)數(shù)據(jù)。K3是加計(jì)數(shù)鍵，K4是減計(jì)數(shù)鍵。程序流程圖如下4.4所示.4.4鍵盤流程圖4.5PID控制模塊在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：（4-5）式中p(t)—調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；e(t)—調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于給定值與測(cè)量值之差；kp—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；TD—調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差來計(jì)算控制量。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)式（4-5）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，得到離散化的PID表達(dá)式:(4-6)式中△t=T—采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；E(k)—第k次采樣時(shí)的偏差值；E(k-1)—第（k-1）次采樣時(shí)的偏差值；k—采樣序號(hào)，k=0,1,2,….；p(k)—第k次采樣時(shí)的調(diào)節(jié)器的輸出。由于位置型的PID算法不僅計(jì)算煩瑣，而且為保存E(i)還要占用很多內(nèi)存。因此，采用增量型的PID算法=（4-7）由式（4-7）可知，要計(jì)算第k次輸出值p(k),只需知道p(k-1),E(k),E(k-1),E(k-2)即可。這種算法只需保留3個(gè)歷史數(shù)據(jù)，占內(nèi)存少，誤動(dòng)作影響小，且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)的無擾動(dòng)切換。PID算法的程序流程圖如圖4.5.源程序見附錄B.4.5PID算法程序流程圖4.6PWM輸出模塊脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法,它無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。設(shè)計(jì)中是通過與定時(shí)器T1的配合來改變占空比以實(shí)現(xiàn)電壓的輸出。程序流程圖如圖4.6.圖4.6PWM程序流程圖第五章系統(tǒng)仿真與調(diào)試設(shè)計(jì)中,軟件及硬件介紹見三、四章，針對(duì)變送部分設(shè)計(jì)如圖5.1的仿真原理圖進(jìn)行仿真。仿真原理如下：在AD的輸入端輸入0～5V的電壓，用電壓表進(jìn)行顯示，以便與LCD顯示值比較，驗(yàn)證轉(zhuǎn)換正確與否。標(biāo)度變換按如下公式計(jì)算，將AD對(duì)應(yīng)的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓量。仿真過程中能實(shí)現(xiàn)一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此驗(yàn)證了AD轉(zhuǎn)化的正確。實(shí)際中要顯示的是對(duì)應(yīng)的水位，水位與電壓的轉(zhuǎn)化關(guān)系為（Y為液位實(shí)際測(cè)量值；Ymin為液位測(cè)量下限；Ymax為液位測(cè)量測(cè)量上限）這樣即將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與實(shí)際液位聯(lián)系起來，而這部分需要在實(shí)際中進(jìn)行調(diào)試。AD仿真原理圖如下5.1，仿真程序見附錄B。圖5.1系統(tǒng)仿真原理圖第六章總結(jié)經(jīng)過五周的課程設(shè)計(jì)，我們認(rèn)真的完成了任務(wù)。但這五周，時(shí)間非常的緊迫，首先，我必須得處理好考研與課設(shè)的關(guān)系，這確實(shí)是件不容易的事情，我時(shí)常感受到自己肩上壓力。課程設(shè)計(jì)是對(duì)之前所學(xué)專業(yè)課的運(yùn)用，是件很必要的事情，剛開始我感覺無從下手，但經(jīng)過小組的討論，我的思路清晰了許多，對(duì)總體的方案，總體器件的選擇有了一定的認(rèn)識(shí)，每次去見老師，都能解決掉自己的許多疑問，所以，我能感覺到自己在進(jìn)步！首先是總體原理圖的繪制，我們組統(tǒng)一裝了DXP來畫原理圖，由于剛開始沒學(xué)過這個(gè)軟件，感覺難，后來經(jīng)過小組長(zhǎng)的培訓(xùn)，對(duì)于軟件的基本操作自己還是掌握了，接下來分完任務(wù)后，就要主攻自己的那部分設(shè)計(jì)了，我的部分是變送部分，我上網(wǎng)查了很多資料，自己用proteus仿真成功后，接下來的總體程序的調(diào)試就需要接口的問題，我們小組來回幾次的協(xié)作，總體設(shè)計(jì)有了進(jìn)展，但還是有問題，小組的配合，使問題得到解決，這是我感受最深的一點(diǎn)，當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)合作的社會(huì)，只有合作，才能促進(jìn)自己的發(fā)展！這是我們不得不承認(rèn)的事實(shí)！另外，這次課設(shè)，我們用到了很多的軟件，這對(duì)于自己今后的發(fā)展是很好的鍛煉，所以總的來說，課設(shè)很緊張，但我學(xué)到很多！參考文獻(xiàn)【1】潘新民.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M],電子工業(yè)出版社,1988,03【2】李文濤.過程控制[M],科學(xué)出版社,2012.【3】李楠楠,璩柏青.一種新型PID調(diào)節(jié)器的硬件電路設(shè)計(jì)[J],2007,23【4】王燕芳,潘新民.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M],電子工業(yè)出版社,2006.1【5】姚永平.STC89C51/RC+系列單片機(jī)器件手冊(cè)[J],宏晶科技.2007,11【6】董永祥.智能儀器的設(shè)計(jì)及發(fā)展[J].山西電子技術(shù),2006,1【7】郝長(zhǎng)勝.C語言程序設(shè)計(jì)[M],內(nèi)蒙古大學(xué)出版社,2005,12【8】趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用[M],電子工業(yè)出版社,2004,7【9】潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用[M],西安電子科技大學(xué)出版社,2007,02【10】蔡杏山.Protel99SE電路設(shè)計(jì)[M],人民郵電出版社,2007,07【11】雷力鳴.單片機(jī)在數(shù)字調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用[M],西南自動(dòng)化研究所,1997,3【11】html/p-89315298346.html附錄A硬件原理圖附錄B源程序#include<reg52.h>//LCD1602部分#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#definedelay4us(){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}#define A0#defineB500sbitRS=P1^0;sbitRW=P1^1;sbitE=P1^2;sbitCS=P2^3;sbitCLK=P2^4;sbitDIO=P2^5;sbitenter=P1^5;//確定鍵ucharZKB1=0;ucharDisplay_Buffer[]="0000";voidinit_sys(void);/*系統(tǒng)初始化函數(shù)*/voidPWMOUT(void);voidbutton(void);voidSet_Disp_Pos(ucharpos);voidL1602_char(ucharrow,ucharcol,charsign);voidL1602_string(ucharrow,ucharcol,uchar*p);intyewei_PID(void);unsignedchard;externunsignedintiyewei_Feedback;externunsignedintiyewei;//當(dāng)前測(cè)的液位值/*************************************************/voidDelayMS(uintms){ uchari; while(ms--) { for(i=0;i<120;i++); }}/*************************************************/bitLCD_Busy_Check(void){ bitresult; RS=0; RW=1; E=1; delay4us(); result=(bit)(P0&0x80); E=0; returnresult;}/*************************************************/voidLCD_Write_Command(ucharcmd){ while(LCD_Busy_Check()); RS=0; RW=0; E=0; _nop_(); _nop_(); P0=cmd; delay4us(); E=1; delay4us(); E=0;}/*************************************************voidSet_Disp_Pos(ucharpos){ LCD_Write_Command(pos|0x80);}/*************************************************/voidLCD_Write_Data(uchardat){ while(LCD_Busy_Check()); RS=1; RW=0; E=0; P0=dat; delay4us(); E=1; delay4us(); E=0;}/*************************************************/voidLCD_Initialise(void){ LCD_Write_Command(0x38);DelayMS(1); LCD_Write_Command(0x0c);DelayMS(1); LCD_Write_Command(0x06);DelayMS(1); LCD_Write_Command(0x01);DelayMS(1);}/*************************************************/voidL1602_char(ucharrow,ucharcol,charsign){uchara;if(row==1)a=0x80;if(row==2)a=0xc0;a=a+col-1;LCD_Write_Command(a);LCD_Write_Data(sign);}/***************顯示字符串******************/voidL1602_string(ucharrow,ucharcol,uchar*p){uchara,b=0;if(row==1)a=0x80;if(row==2)a=0xc0;a=a+col-1;while(1){LCD_Write_Command(a++); b++; if((*p=='\0')||(b==16))break; LCD_Write_Data(*p); p++;}}/*AD采樣函數(shù)*/ucharGet_AD_Result(void){ uchari,dat1=0,dat2=0; CS=0;//芯片開始轉(zhuǎn)換工作 CLK=0; DIO=1;_nop_();_nop_();//DIO=1,是起始信號(hào) CLK=1;_nop_();_nop_(); CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();//1 CLK=1;_nop_();_nop_(); CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();//2 CLK=1;DIO=1;_nop_();_nop_(); CLK=0;DIO=1;_nop_();_nop_();//3(1、1)選擇通道1 for(i=0;i<8;i++) { CLK=1;_nop_();_nop_(); CLK=0;_nop_();_nop_();//輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的最高位（4-11）轉(zhuǎn)換完成 dat1=dat1<<1|DIO; } for(i=0;i<8;i++) { dat2=dat2<<((uchar)(DIO)<<i);//從高到低再讀一次 CLK=1;_nop_();_nop_(); CLK=0;_nop_();_nop_(); } CS=1; return(dat1==dat2)?dat1:0;}/*************************************//************主函數(shù)***************///d=Get_AD_Result()*500.0/255; /*d為0-5V的電壓值*/voidmain(void){ intecount=0;init_sys(); /*PWMOUT初始化函數(shù)*/ LCD_Initialise(); while(1) { /*標(biāo)度變換后的實(shí)際液位值*/ iyewei=(int)((filter()-51)*(B-A))/204.0+A; button(); //DelayMS(10); /*按鍵調(diào)值*/ yewei_PID();/*液位PID計(jì)算*/ PWMOUT(); /*PWM輸出*/ } }#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineN12//排序采用冒泡法#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharvoidDelayMS(uintms);ucharGet_AD_Result(void);uintcc;charfilter()//采樣及濾波{ charcount,i,j,temp; charvalue_buf[N]; intsum=0; for(count=0;count<N;count++) { value_buf[count]=Get_AD_Result(); DelayMS(10); } for(j=0;j<N-1;j++) { for(i=0;i<N-j;i++) { if(value_buf[i]>value_buf[i+1]) { temp=value_buf[i];//實(shí)現(xiàn)從小到大的排列 value_buf[i]=value_buf[i+1]; value_buf[i+1]=temp; } } } for(count=1;count<N-1;count++)//取除去最大和最小后的值進(jìn)行平均 sum+=value_buf[count]; return(char)(sum/(N-2));}/*********************************************/voidtimer1(void)interrupt3//定時(shí)器T1{TMOD=0x11;//方式1、16位的定時(shí)器（高4位）TH1=(65536-1000)/256;//定時(shí)器1初值定時(shí)1ms TL1=(65536-1000)%256;//T=2^16-a取高8位、取低8位ET1=1;TR1=1;//允許T1計(jì)數(shù) EA=1;//開啟總中斷cc++;if(cc==10){Get_AD_Result(); cc=0;}}#include<reg52.h>//PID部分#include<intrins.h>unsignedintKKp=120;unsignedintKKi=50;unsignedintKKd=0;unsignedintErr1=0;unsignedintErr2=0;unsignedintErr3=0;unsignedintpid_out_Last;unsignedintiyewei_Feedback;//pid計(jì)算后的液位值externun